国内轨道动力稳定车研究进展

项永志，王立华

（1.543002 广西壮族自治区 梧州市 梧州学院 机械与材料工程学院；2.650500 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院）

0 引言

铁路线路分为有砟和无砟两种形式。有砟轨道以其良好的减振、排水、易维修等优点，被广泛用于世界各国的铁路线路。新铺设或大修后的有砟轨道，道砟的密实度低导致道床的横向阻力小，给列车快速运行带来严重的安全隐患。为了保证行车安全，列车必须低速行驶，给繁忙的铁路运输带增加了沉重负担。有砟轨道动力稳定技术就是为了解决这一问题而发展起来的,开展有砟轨道动力稳定技术的设备主要是轨道动力稳定车（简称稳定车）。

20 世纪60 年代中期，国外高速铁路和重载铁路发展迅猛，各国铁路大量采用大型养路机械；到80 年代初期，奥地利普拉塞-陶依尔（Plasser &Theurer）公司研制出了DGS-62N 型稳定车，开启了有砟轨道动力稳定作业的序幕。由于技术保密等原因，有关稳定车的技术研究鲜见报道。

国内从1983 年起，铁道部陆续从国外采购了捣固车、清筛机、配砟整形车和稳定车等大型养路机械，并组织形成了以昆明中国铁建高新装备股份有限公司为主体，其他众多铁路科研单位参加的大型养路机械攻关联合体。1993 年5 月，我国成功试制出第一台稳定车，型号为WD-320，应用于线路道床的稳定作业[1]。稳定车总图如图1 所示。

图1 WD-320 动力稳定车总图Fig.1 General drawing of WD-320 track dynamic stabilizer

1 稳定车概述

稳定车是集机、电、液、气和微机控制于一体的自行式大型养路机械[1]，用于快速提高新建或大修后铁路线路的横向阻力和道床的整体稳定性，为取消或缩短铁路线路作业后的列车慢行时间创造条件，这对高速、重载和大运量的铁路运输意义重大。

1.1 稳定车稳定装置的结构组成

稳定装置是稳定车工作装置的核心部件，结构包括2 只垂直油缸、1 个激振器、2 个夹钳轮、4只夹钳油缸、2 只水平油缸和4 个走形轮等零部件，稳定装置的结构示意图如图2 所示。

图2 稳定装置结构示意图Fig.2 Structure diagram of stabilizer unit

1.2 稳定装置工作原理

稳定装置工作时，在车体牵引力下低速走行，在夹钳油缸、水平油缸共同作用下，夹钳轮和走行轮一起夹紧铁轨，三者连成一体。然后，液压马达驱动带偏心轮的激振器旋转，产生水平方向的振动力，振动力通过夹钳轮和走行轮综合传递给铁轨，进而传递给轨枕和道砟，使得道砟颗粒产生受迫振动。同时，垂直油缸产生垂直下压力通过走行轮施加在2 根铁轨上，使轨道均匀下沉。在垂直下压力和水平振动力的综合作用下道砟颗粒相互填充、密实，提高道砟颗粒间的摩擦力和嵌制力，增强道床的横向阻力和整体稳定性，保证列车高速行车安全。

2 稳定车结构改造方面的研究进展

在稳定车、稳定装置的机械结构设计和结构优化方面进行了系统研究。程立[2]采用实验结果与定性分析相结合，对WD-320 型稳定车横向平稳性指标接近限定值的现象进行了深入分析，得出转向架心盘距和整车偏载的增加、XJJ-60K 型金属橡胶减振器减振性能不稳定是上述现象产生的原因，提出消除整车偏载、更换车轮轮缘踏面为磨耗型的改进措施；吴汶滨[3]介绍了WD-320 稳定装置箱体底板断裂的实际情况，分析了引起裂纹的原因，从结构、材料和焊接方法方面给出了改进措施；李胜[4]指出了早期国产化稳定车的车轴齿轮箱发生损坏的原因，提出了通过改进稳定车的齿轮副来减少车轴齿轮箱发生损坏的方案，并进行了新齿轮副的试制和检测，投产后新方案满足实际工程需要；杜利伟[5]指出了早期国产化稳定装置出现箱体底板开裂、滚轮轴断裂和滚轮轴轴承损坏的现象，分析了造成这些现象的原因，并且提出了通过增加箱体底板厚度、增大枕梁上的滚轮轴孔、增加滚轮轴的总体直径和更换对应的滚轮轴轴承的改进方案，采用该方案后较好地解决了上述问题；朱兴良[6]等对我国先后引进的3 批DGS-62N 型稳定车的激振器结构进行了对比和分析，提出了改进的新结构。

在稳定车的稳定作业控制和控制系统优化方面有学者进行了深入的研究。张红梅[7]从稳定车作业时的挂挡控制原理上进行了分析，指出了导致稳定车作业时的挂挡缺陷的原因，并且提出了改进方案和注意事项；马占川[8]指出了稳定车稳定头垂直下压力控制系统中稳定车的走行速度与垂直下压力的逻辑控制关系，分析了这种逻辑控制关系下引发的垂直下压力控制系统的缺陷，提出了取消下压力闭环控制、调整下压力范围和作业时手动调节下压力的改进方案，达到较好的稳定作业效果；孟晓亮[9]分析了稳定车车轮擦伤的主要原因为机车滑行，提出了防擦轮预警系统设计方案，经过装机试验得出新方案，改善了原有缺陷，满足工程需要；刘永建[10]结合轨道稳定车WD-320 的工作特点，对其作业时的计算机控制系统进行了分析，指出了控制系统存在“总线接触不良、LED 方式下参数调整繁琐、系统资源占用严重等”缺陷，给出了改进法案，没有装机实验，其实际效果无法体现。

3 稳定车在多刚体动力学方面的研究进展

在稳定车、稳定装置振动数学模型的建立方面进行了研究。曹昆山[11]建立了稳定车运行时的数学模型，对其运行时的横向稳定性进行了计算，指出通过调整部分结构参数可以有效地提高稳定车运行时的失稳临界速度；孙建英[12]建立了稳定装置振动系统简单模型，分析了激振力与激振频率、偏心块质量、偏心块偏心距等因素之间的定性关系。

对作业工况下稳定车、稳定装置的重要零部件的动力学特性进行了深入研究。刘光伟[13]等估算了金属橡胶弹簧本构参数，建立了某型稳定车金属橡胶弹簧的有限元模型，对该模型施加正弦激励后，分别单独改变动力幅值和频率，得到弹簧常数|K*|都呈现非线性增长的结论；李胜军[14]等通过实验确定了稳定车旁承橡胶弹簧的本构参数，建立了旁承的有限元分析模型，得到载荷或频率增加会导致弹簧常数|K*|呈现非线性增长的结论；张锦权[15]等设计了能在轨距为1 520 mm 的轨道稳定作业的稳定装置，并对该装置进行了箱体强度安全有限元分析、防脱轨安全系数验算和台架试验，结果表明新设计的稳定装置满足工程作业要求。该设计推动了稳定装置国产化进程。邓强国[16]对稳定车的中心销总成系统的关节轴承进行了接触非线性数值求解和等效刚度求解，结果表明2 种求解方法分析该问题是可行的，为稳定车关键部件的研究提供了思路；胡新燕[17]建立了稳定车转向架橡胶元件的分析模型，进行了模态分析，预测了其元件动力学特性，研究结果优化了稳定车的使用效果；李伟成[18]建立了稳定车车架动力学模型，对车架结构进行了一系列分析，得到了其安全系数和前30 阶固有频率振型，同时对车架进行了基于轨道不平顺因素的动力学分析。为稳定车进一步设计优化提供了参考。

基于稳定车实际作业工况和工作参数，从实验和仿真两方面分别建立了稳定车作业状态下的多体动力学模型，对其稳定作业效果和作业部件疲劳寿命开展了系统研究。谢耿昌[19]基于SIMPACK 软件，结合某型稳定车的实际工作参数，建立了其动力学模型，依据对应国家标准进行了计算分析，得出该模型满足工程要求。结合两种铁道车辆行业标准对某型稳定车主车架静强度进行计算和对比分析，结果显示主车架静强度满足两种标准要求。最后，根据某型稳定车的作用原理和作业条件，制定42 种作业工况，进行了主车架结构的疲劳寿命分析，结果表明其疲劳寿命满足使用要求。该研究为稳定车部件的疲劳寿命预测提供了方法上的指导，对稳定车的创新起到了积极作用。严波[20]首先运用车辆—轨道耦合动力学理论，建立了稳定车作业时整体耦合系统垂横模型，通过对该模型的仿真分析与实验对比，证明了建模的合理性。其次，运用离散元法，建立了轨枕刚度、阻尼和道床累积下沉量与作业时间的函数化模型。通过数理统计的方法，分析了作业参数对道床质量的影响，得出了最优作业参数为50 bar 垂直下压力、28 Hz 激振频率。最后，采用多元多次非线性回归理论，建立了稳定作业参数最优匹配预测模型，为相关研究提供了新思路。

4 稳定车刚柔耦合动力学方面的研究进展

在新型稳定装置开发和车轴弹簧参数化模型的建立方面，学者开展了相关研究。韩世昌[21]基于现场作业实验和虚拟样机仿真技术对现有稳定车作业情况进行了分析和评估，进而开发了新型稳定装置。根据实际工况选择3 组作业参数对新型稳定装置进行了仿真分析，结果表明新装置能有效地完成稳定作业功能需求。但新装置试制运行后迅速出现板弹簧裂纹和失效。针对这一缺陷，该研究建立了分析模型，提出了部分修改意见。该研究为后续稳定装置的创新开发开拓了思路。刘少华[22]建立了稳定车车轴弹簧的参数化模型，利用有限元法对模型进行了力学特性分析，研究结果表明车轴弹簧符合设计要求；其次，建立了稳定车车轮-轨道的有限元分析模型，进行了作业过程力学性能分析，得出轨道顶部为最大接触应力位置、磨损最为严重的结论。

基于稳定作业特性，建立稳定装置-钢轨-道床系统刚柔耦合动力学模型，开展了稳定作业效果和作业参数选择的系统研究。王军[23]通过实验测出捣固后的道床横、垂向刚度与EDEM 建立道床模型仿真结果对比，确定道床横、垂向刚度具体数值，进而建立稳定作业模型，得出最优作业频率。建立了钢轨为柔性体的稳定装置-轨道系统刚柔耦合模型，研究钢轨变形对系统作业效果的影响。推动了稳定车在刚柔耦合研究方面的进程。陈佳明[24]等基于集中参数法，建立动力稳定车-散体道床-桥梁系统横向动力学模型，选用3 组典型道床工况对模型系统进行仿真分析，得出所研究的道床工况下桥梁段轨道稳定作业的最优激振频率为36 Hz，不同桥梁工况下的最优作业频率不同的结论。

对稳定装置-轨道系统刚柔耦合模型进行了系统横向、垂向动力学特性、关键部件疲劳寿命和能量传递效率方面的研究。项永志[25]运用集中参数法建立了稳定装置-轨道系统的横向动力学模型，选用了3 种典型作业工况，得到最优作业参数为30～33 Hz。基于刚柔耦合理论，分析了稳定作业情况下钢轨和轨枕的变形量，从而建立了钢轨为柔性体的稳定装置-钢轨-轨枕-道床的刚柔耦合动力学模型，得到了不同作业工况下稳定作业的能量传递效率规律和走行轮的稳定作业载荷值。基于上述研究，最后建立了走行轮-轨道的疲劳寿命分析模型，得到了稳定作业过程中走行轮的疲劳寿命与作业工况之间的相互关联规律。李佳奇等[26-27]运用键合图理论对稳定装置工作时夹钳油缸压强和液阻系数对作业效果的影响以及夹钳轮-钢轨-走行轮系统对能量传递效率的影响开展了系统研究，得出油缸压强增大有利于强化夹钳轮-钢轨间的轮轨力学关系，利于提高能量传递效率，液阻系数与最终作业效果正相关；水平油缸推力6 kN 以上才能保证作业时能量有效传递的结论。

5 总结与展望

综上所述，目前国内在稳定车的研究方面所做工作多是侧重于以下方面：（1）稳定车稳定装置、箱体、中心销总成系统、金属橡胶弹簧等重要部件的结构改造和疲劳寿命预测；（2）稳定车的各种控制系统的优化改进；（3）在稳定车系统的研究多是采用集中参数的有限元模型；（4）采用离散单元法从细观角度对散体道床进行研究。

以上研究对稳定车的设计优化和创新创造起到了一定推动作用；但是动力稳定车作业时稳定车和轨道所构成的是一个非线性的、相互耦合的动态大系统，其中很多重要部件如激振器的齿轮结构、夹轨轮结构、传动轴结构等在作业时都会产生较大变形，如果不考虑这些变形对稳定车作业系统的动力学特性的影响，所得出的结果必然与实际结果有较大的差距。这些差距将不利于准确地对稳定车各主要部件进行设计优化，不利于更好地推动稳定车的国产化创新创造的进程。

目前，在稳定车-轨道-道床这个大系统的基础上，基于刚柔耦合、有限元、离散元理论和现代设计方法等多种理论方法建立的耦合模型的研究较少，因此在稳定车的研究方面，今后可从以下几方面开展：（1）运用刚柔耦合理论、有限元理论、离散元理论和现代设计方法等多种理论方法，建立准确的稳定车-轨道-道床的大系统耦合模型；（2）通过准确的大系统耦合模型，系统地研究各子系统的特征参数和稳定车作业效率的内在关系；（3）研究各子系统与稳定车—轨道—道床的大系统的相互耦合作用，寻求快速提高道砟密实度、道床横向阻力、道床的整体稳定性的稳定车最优作业参数；（4）研究提高稳定车各重要部件的疲劳寿命的有效途径，优化稳定车的结构部件设计。

运用刚柔耦合理论、有限元理论、离散元理论和现代设计方法等多种理论方法对稳定车—轨道—道床大系统开展详细研究，有助于为实现稳定车的重要部件的结构创新提供理论依据，为大型铁路养路机械的动态设计和整体优化提供理论参考，为开发性能优良的大型铁路养路机械奠定理论基础。